常用的冷冲压模具材料.doc

冲压模具工作零件材料的要求 冲压模具工作时要承受冲击、振动、摩擦、高压和拉伸、弯扭等负荷，甚至在较高的温度下工作（如冷挤压），工作条件复杂，易发生磨损、疲劳、断裂、变形等现象。因此，对模具工作零件材料的要求比普通零件高。 由于各类冲压模具的工作条件不同，所以对模具工作零件材料的要求也有所差异。 1.冲裁模材料的要求 对于薄板冲裁模具的工作零件用材要求具有高的耐磨性和硬度，而对厚板冲裁 模除了 要求具有高的耐磨性、抗压屈服点外，为防止模具断裂或崩刃 ，还应具有高的断裂抗力、较高的抗弯强度和韧性。 2. 拉深模材料的要求 要求模具工作零件材料具有良好的抗粘附性（抗咬合性）、高的耐磨性和硬度、一定的强韧性以及较好的切削加工性能，而且热处理时变形要小。 3. 冷挤压模材料 的要求 要求模具工作零件有高的强度和硬度、高耐磨性，为避免冲击折断，还要求有一定的韧性。由于挤压时会产生较大的升温，所以还应具有一定的耐热疲劳性和热硬性 11.2.2 冲压模具材料的种类及特性 制造冲压模具的材料有钢材、硬质合金、 钢结硬质合金、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、高分子材料等等。目前制造冲压模具的材料绝大部分以钢材为主，常用的模具工作部件材料的种类有：碳素工具钢、低合金工具钢、高碳 高铬或中 铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、 钢结硬质合金 等等。 1. 碳素工具钢 在模具中应用较多的碳素工具钢为T8A、T10A等，优点为加工性能好，价格便宜。但淬透性和红硬性差，热处理变形大，承载能力较低。 2. 低合金工具钢 低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入了适量的合金元素。与碳素工具钢相比，减少了淬火变形和开裂倾向，提高了钢的淬透性，耐磨性亦较好。用于制造模具的低合金钢有 CrWMn、9Mn2V、7CrSiMnMoV(代号CH-1)、6CrNiSiMnMoV(代号GD)等。 3. 高碳高铬工具钢 常用的高碳高铬工具钢有Cr12和Cr12MoV、Cr12Mo1V1（代号D2），它们具有较好的淬透性、淬硬性和耐磨性，热处理变形很小，为高耐磨微变形模具钢，承载能力仅次于高速钢。但碳化物偏析严重 ，必须进行反复镦拔 （轴向镦、径向拔）改 锻，以降低碳化物的不均匀性，提高使用性能。 4. 高碳中铬工具钢 用于模具的高碳中铬工具钢有Cr4W2MoV、Cr6WV 、Cr5MoV等，它们的含铬量较低， 共晶碳化物 少，碳化物分布均匀，热处理变形小，具有良好的淬透性和尺寸稳定性。与碳化物偏析相对较严重的高碳高铬钢相比，性能有所改善。 5. 高速钢 高速钢具有模具钢中最高的 的 硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力很高。模具中常用的有 W18Cr4V（代号8-4-1）和含钨量较少的W6Mo5 Cr4V2（代号6-5-4-2，美国牌号为M2）以及为提高韧性开发的 降碳降钒 高速钢 6W6Mo5 Cr4V（代号6W6或称低碳M2）。高速钢也需要改 锻 ，以改善其碳化物分布 。 6. 基体钢 在高速钢的基本成分上添加少量的其它元素，适当增减含碳量，以改善钢的性能。这样的钢种统称基体钢。它们不仅有高速钢的特点，具有一定的耐磨性和硬度，而且抗疲劳强度和韧性均优于高速钢，为高强 韧性冷作模具钢 ，材料成本却比高速钢低。模具中常用的基体钢有 6Cr4W3Mo2VNb（代号65Nb）、7Cr7Mo2V2Si（代号LD）、5Cr4Mo3SiMnVAL（代号012AL）等。 7. 硬质合金和钢结硬质合金 硬质合金的硬度和耐磨性高于其它任何种类的模具钢，但抗弯强度和韧性差。用作模具的硬质合金是 钨钴类 ，对冲击性小而耐磨性要求高的模具，可选用 含钴量较低 的硬质合金。对冲击性大的模具，可选用 含钴量较高 的硬质合金。 钢结硬质合金 是以铁粉加入少量的合金元素粉末（如铬、 钼 、钨、钒等）做粘合剂，以碳化 钛或碳化钨为硬质相 ，用粉末冶金方法烧结而成。钢结硬质合金 的基体是钢，克服了硬质合金韧性较差、加工困难的缺点，可以切削、焊接、锻造和热处理。 钢结硬质合金含有大量的碳化物，虽然硬度和耐磨性低于硬质合金，但仍高于其它钢种，经淬火、回火后硬度可达 68 73HRC。 11.2.3 冲压模具材料的选用及热处理要求 一. 冲裁模具材料的选用及热处理要求 选用冲裁模具材料应考虑工件生产的批量，若批量不大就没有必要选择高寿命的模具材料；还应考虑被冲工件的材质，不同材质适用的模具材料亦有所不同。对于冲裁模具，耐磨性是决定模具寿命的重要因素，钢材的耐磨性取决于碳化物等硬质点相的状况和基体的硬度，两者的硬度越高，碳化物的数量越多，则耐磨性越好。常用冲压模具钢材耐磨性 的劣优依次 为碳素工具钢 合金工具钢 基体钢 高碳高铬钢 高速钢 钢结 硬质合金 硬质合金。 此外还必须考虑工件的厚度、形状、尺寸大小、精度要求等因素对模具材料选择的影响。 1.传统模具用钢 长期以来，国内薄板冲裁模用钢为 T10A 、 CrWMn 、9Mn2V、Cr12 和 Cr12MoV 等。 其中 T10A 为碳素工具钢，有一定强度和韧性。但耐磨性不高，淬火容易变形及开裂，淬透性差，只适用于工件形状简单、尺寸小、数量少的冲裁模具。 T10A 碳素工具钢的热处理工艺为： 760810 水或油 淬， 160180 回火，硬度 5962HRC 。 CrWMn 、 9Mn2V 是高碳低合金钢种，淬火操作简便，淬透性优于碳素工具钢，变形易控制。但耐磨性和韧性仍较低，应用于中等批量、工件形状较复杂的冲裁模具。 CrWMn 钢的热处理工艺为：淬火温度 820840 油冷 ，回火温度 200 ，硬度 6062HRC 。 9Mn2V 钢的热处理工艺为：淬火温度 780820 油冷 ，回火温度 150200 ，空冷，硬度 6062HRC 。注意 回火温度在 200300 范围有回火脆性和显著体积膨胀，应予避开。 Cr12 和 Cr12MoV 为高碳高铬钢，耐磨性较高，淬火时变形很小，淬透性好，可用于大批量生产的模具，如硅钢片冲裁模。但该类钢种存在碳化物不均匀性，易产生碳化物偏析，冲裁时容易出现崩 刃 或断裂。其中， Cr12 含碳量较高，碳化物分布不均比 Cr12MoV 严重，脆性更大一些。 Cr12 型钢的热处理工艺选择取决于模具的使用要求，当模具要求比较小的变形和一定韧性时，可采用低温淬火、回火（ Cr12 为 950980 淬火， 150200 回火； Cr12MoV 为 10201050 淬火， 180200 回火 ）。若要提高模具的使用温度，改善其淬透性和红硬性，可采用高温淬火、回火 （ Cr12 为 10001100 淬火， 480500 回火； Cr12MoV 为 11101140 淬火， 500520 回火 ）。 高铬钢在 275375 区域有回火脆性，应予避免。 2.常用模具新钢种 为了弥补传统模具钢种性能的不足，国内开发或引进了以下性能较好的冲压模具用钢： （ 1 ） Cr12Mo1V1 （代号 D2 ）钢 为仿美国 ASTM 标准中的 D2 钢引进 的钢种，属 Cr12 型钢。由于 D2 钢中 Mo 、 V 含量增加，细化了晶粒，改善了碳化物的分布状况，因此 D2 钢的强韧性（冲击韧度、抗弯强度、挠度）比 Cr12MoV 钢有所提高，耐磨性和抗回火稳定性也比 Cr12MoV 更高。可用深冷处理，提高硬度并改善尺寸稳定性。用 D2 钢制作的冲裁模具寿命要高于 Cr12MoV 钢模具。 D2 钢的锻造性能和热塑成形性比 Cr12MoV 钢略差，机械加工性能和热处理工艺与 Cr12 型钢相似。 （ 2 ） Cr6WV 钢 为高 耐磨微 变形高碳中铬钢，碳、铬含量均低于 Cr12 型钢，碳化物的分布状态较 Cr12MoV 均匀，具有良好的淬透性。热处理变形小，机械加工性能较好。抗弯强度、冲击韧度优于 Cr12MoV ， 只是耐磨性略低于 Cr12 型钢。用于承受较大冲击力的高硬度、高耐磨板料冲裁模，其效果好于 Cr12 型钢。 钢的常用热处理工艺为：淬火温度9701 000，一般可热油或硝盐分级淬火冷却，尺寸不大的部件可采取空冷。淬火后应立即回火，回火温度160210 ，硬度 58 62HRC。 （ 3 ） Cr4W2MoV 钢 也是高 耐磨微 变形高碳中铬钢，替代 Cr12 型钢而研制的钢种，碳化物均匀性好，耐磨性高于 Cr12MoV ，适于制作形状复杂、尺寸精度要求高的冲压模具，可用于硅钢片冲裁模。 Cr4W2MoV 钢的热处理工艺：要求强度、韧性较高时，采用低温淬火、低温回火工艺：淬火温度 960980 ，回火温度 280320 ，硬度 6062HRC 。要求热硬性和耐磨性较高时，采用高温淬火、高温回火工艺：淬火温度 10201040 ，回火温度 50 0540 ，硬度 6062HRC 。 （ 4 ） 7CrSiMnMoV( 代号 CH-1) 钢 为 空淬微变形低合金钢、火焰淬火钢，可以利用火焰进行局部淬火，淬硬模具刃口部分。淬火温度（ 8001000 ），具有良好的淬透性和 淬硬性 （可达 60 HRC 以上），强度和韧性较高，崩 刃 后能补焊。可代替 CrWMn 、 Cr12MoV 钢，制作形状复杂的冲裁模。 CH-1 钢的推荐热处理工艺：淬火温度 900920 ， 油冷 ， 190200 回火 13 小时，硬度 5862 HRC 。 （ 5 ） 6CrNiSiMnMoV( 代号 GD) 钢 为高韧性低合金钢，淬透性好，空淬变形小，耐磨性较高。其强韧性显著高于CrWMn 和 Cr12MoV 钢，不易崩刃或断裂。尤其适用于细长、薄片状 凸模及 大型、形状复杂、薄壁凸凹模。 GD 钢的推荐热处理工艺：淬火温度 870930 （ 900 最佳 ），盐浴炉加热（ 45s/mm ）， 油冷或 空冷、风冷 ， 175230 回火 2 小时，硬度 5862 HRC 。由于空冷即可淬硬 ，也可采用火焰加热淬火。 （ 6 ） 9Cr6W3Mo2V2( 代号 GM) 钢为高耐磨高强 韧 合金钢，各项工艺性能良好，其耐磨性、强韧性、加工性能均优于 Cr12 型钢，能够用于高速压力机冲压下的多工位 级进模等 精密模具，是较理想的耐磨、精密冲压模具用钢。 GM 钢的热处理工艺：淬火温度 10801120 ，硬度 6466HRC 。 回火温度 540560 ，回火二次。 （ 7 ） Cr8MoWV3Si ( 代号 ER5) 钢 属高耐磨高强韧合金钢，具有较好的电火花加工性能，强度、韧性、耐磨性都优于 Cr12 型钢，适用于大型精密冲压模具。用于硅钢片冲裁模，一次 刃 磨寿命为 21 万次，总寿命高达 360 万次，是目前合金钢冲模冲裁硅钢片的较高寿命水平。 ER5 钢的推荐热处理工艺：对高耐磨性、高强韧性的模具，采用 1150 淬火， 520530 回火 3 次； 对重载服役条件下的模具，采用 11201130 淬火， 550 回火 3 次。 3 硬质合金及钢结硬质合金 当工件的批量极大时，可以考虑选用硬度和耐磨性比各类模具钢种更高的硬质合金 或钢结硬质合金 。用作模具材料的硬质合金为 钨钴类 ，随着 含钴量的增加，韧性及抗弯强度提高而硬度降低。对于承受冲击力较小的模具，可以选用 含钴量较低 的 YG10X ；承受冲击力中等或较大的模具，可以选用含钴量较高 的 YG15 或 YG20 。硬质合金的缺点为韧性较差、难以加工，作为模具的工作部件可以设计为镶拼结构。 钢结硬质合金的性能介于硬质合金和高速钢之间，能够机械加工和热处理，可以用于制作复杂的高寿命模具。用作冲裁模 的钢结硬质合金 有 DT 、 GT35 、 TLMW50 、 GW50 等。 厚板冲裁模具 厚板冲裁模承受的冲压力高于薄板冲模，为重载冲裁模，易磨损、崩 刃 和断裂，所以要求模具材料应具有高的耐磨性和强韧性。 传统模具用钢传统的重载冲裁模具钢种主要有 T8A 、 Cr12MoV 、 W18Cr4V 、 W6Mo5 Cr4V2 等。 其中 T8A 为碳素工具钢，虽然淬透性、韧性比 T10A 钢有所改善，但易残存网状碳化物、热硬性差，只能用于工件批量较小的中厚冲裁模。 T8A 工具钢的热处理工艺为： 790820 水或油 淬， 160180 回火，硬度 5861HRC 。 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2为高速工具钢，具有很高的硬度、抗压强度和耐磨性，但韧性较低，工作时有可能产生崩 刃或断裂，而且价格较贵。建议采用低温淬火、快速加温淬火等工艺措施来改善其韧性。对于工件批量较大的厚板冲裁模，可以用W18Cr4V、 W6Mo5Cr4V2钢做 凸 模，Cr12MoV 钢做凹模 。 W18Cr4V 钢的推荐热处理工艺： 12201250 淬火； 550570 回火 3 次。 W6Mo5Cr4V2 钢的推荐热处理工艺： 11601200 淬火 ： 550570 回火 3 次。 3. 常用模具新钢种 为了克服高速工具钢的缺点，提高使用寿命，重载冲裁模具可选用 降碳降钒 高速钢6 W6Mo5 Cr4V（6W6）和以高速钢成分为基础，添加少量的其它元素构成的高强韧性模具钢 基体钢，如 65Nb钢、LD钢、012AL钢、CG-2 钢等等 。 （ 1）6 W6Mo5 Cr4V (6W6)钢 为高强韧性高速钢，由于降低了碳化物的含量和分布均匀性，使其在保持硬度和耐磨性的同时，抗弯强度、冲击韧性和塑性都有显著提高，虽然耐磨性略低，仍可用低温 氮碳共渗提高 表面硬度和耐磨性。其热处理工艺和高速钢W6Mo5Cr4V2相似。 （ 2 ） 6Cr4W3Mo2VNb (65Nb) 钢 65Nb 钢取自 W6Mo5CrV2 钢正常 淬火后的基本成分，碳含量比高速钢低，碳质量 分数 的中限为 0.65% ，故名 65Nb 。各合金元素在钢中的作用和在高速钢中相似， 另加入 3% 的 Nb 可形成高稳定性的碳化物 NbC ，能有效阻止奥氏体晶粒长大，改善钢的力学性能和工艺性能。这种钢具有较好的耐磨性和较强的高温韧性，可以代替 Cr12MoV 、 W18Cr4V 钢，用于重载冲裁模和冷挤压模、 冷镦模 。 65Nb 钢锻造和退火工艺性能良好，热处理温度范围宽，淬火温度可以在 10801180 ，回火温度在 520600 之间选择。当采用比 W6Mo5CrV2 钢正常 淬火温度低的温度淬火后，其组织 为在碳含量 较低的马氏体基体上均匀 分布有细粒状未溶碳化物。通过热处理参数的调整，可以得到不同的强度、韧性、耐磨性配合，以适合不同模具的性能要求。 65Nb 钢的热处理工艺： 10801180 盐浴炉加热（ 1520s/mm ）油 淬， 520560 回火 2 次，硬度 5763 HRC 。 （ 3 ） 7Cr7Mo2V2Si (LD) 钢 LD 钢含碳、 含钴量高于 65Nb ，含钒量也较高。 钒可细化 晶粒，提高耐磨性。因此其抗压、抗弯强度和耐磨性均高于 65Nb 由于具有良好的强韧性和耐磨性，因而适于制造各种重载模具。 LD 钢的推荐热处理工艺： 850 预热， 11001150 淬火； 油冷后 530570 回火 23 次，每次 12 小时，硬度 5763 HRC 。 （ 4 ） 5Cr4Mo3SiMnVAL (012AL) 钢 012AL 钢中加入质量分数为 0.30.7% 的铝，目的是为了细化晶粒，提高钢的冲击韧性和热加工塑性，加 Si 则为了强化基体。 012AL 钢强韧性高，综合性能好，通用性强，是冷、热兼用型模具钢。其抗弯强度及挠度高于 W18Cr4V 高速钢，代替高速钢作模具时很少发生折断现象。可以用作中厚板料冲裁模具和 各类冷 、热作模具。 012AL 钢的推荐热处理工艺： 10901120 盐浴炉加热（ 30s/mm ）油 淬， 510 回火 2 次， 每次油冷 2 小时 ，硬度 6062 HRC 。 （ 5 ） 6Cr4Mo3Ni2WV(CG-2) 钢 CG-2 钢在成分中加 Ni ，强化了基体，改善了韧性和高温性能。同时增加 Mo 减少 W ，以降低碳化物的偏析。 CG-2 钢具有高的强度和强韧性，在热处理到高硬度时仍能维持良好的韧性，较好地解决了高硬度与韧性的合理配合。但锻造塑性较差，退火后硬度偏高。亦可用作中厚板料冲裁模具和 各类冷 、热作模具。 CG-2 钢的热处理工艺：淬火温度 11001140 加热（ 20s/mm ）， 油冷 ， 540 回火 2 次，每次 2 小时，空冷，硬度 6062 HRC 。 二. 拉深模具材料的选用及热处理要求 表 11.2.1 各种板料适用的 拉深模材料 由于拉深模具的失效主要为粘附磨损和磨粒磨损，并以粘附磨损为主。因此选用的模具材料必须具有较高的耐磨性和抗粘附性能，以及足够的强度。按被拉深材料 考虑适用的拉 深模材料 可以参考表 11-1 。选用时还应考虑被拉深材料的板料厚度、 拉深件的 尺寸形状以及生产批量的大小等因素。 （一） 轻载拉深（拉深薄钢板和 铜、 铝合金）时的模具材料 生产批量较小时，对于形状简单的筒形 浅拉深件 ，可选用 T8 、 T10 钢； 对于形状复杂的中小型件，选用 CrWMn 、 9Mn2V 。 中批量生产或生产批量较大时，选用 Cr12MoV 。 生产批量很大时，选用硬质合金 或钢结硬质合金 。 （二）重载拉深（拉深厚钢板、反拉深、变薄拉深）时的模具材料 生产批量较小时，可选用 T10 、 CrWMn 。 生产批量较大时，选用 Cr12MoV 以及 GM 钢。 GM 钢的强度和韧性高于高速钢、 Cr12MoV ；抗粘附磨损和磨粒磨损能力明显优于基体钢和 Cr12MoV ，在拉 深模方面 已得到较好应用。 生产批量很大时，考虑选用硬质合金 或钢结硬质合金 。 （三）拉深不锈钢、 高镍合金钢 、耐热钢板的模具材料 拉深这类材料时，容易发生粘附和拉毛，首选模具材料为铝青铜。 生产批量较小时，可选用铝青铜、 T10A （镀硬铬，注意采用镀硬铬工艺时镀层不能太厚，以防拉深时剥落）。 生产批量较大时，选用铝青铜、 Cr12MoV 、 Cr12Mo1V1 （表面渗氮）。 生产批量很大时，选用硬质合金。 （四）大型 拉深件 、汽车覆盖件的拉深模具材料 可以选用合金铸铁或高强度球墨铸铁。球墨铸铁能够浸入润滑油，组织中的石墨具有自润滑作用，能有效地减轻拉深中的摩擦，而且成本较低、容易加工。 高强度球墨铸铁可以采用双介质延迟冷却马氏体等温淬火，以获得较高的强度和韧性，硬度为 5558 HRC 。先将模具缓慢预热后再加热至 880900 ，保温后先空气预冷，然后盐水 淬冷至 550 左右即转入 油冷，当模温 降至 250 左右，放入 180200 的热油中等温保持 23 小时，再将油温降至 170 左右等温 57 小时，最后转入空冷。 . . . .